机械工程材料与成形工艺基础——绪论与金属材料基础知识2
工程材料及成形技术基础课程
工程材料及成形技术基础课程引言工程材料及成形技术基础课程是工程相关专业的一门基础课程，旨在介绍工程材料的基本概念、特性及其在工程中的应用，以及常见的成形技术。
本文将从以下几个方面进行介绍：工程材料的分类、材料力学性能、材料的常见加工工艺等。
一、工程材料的分类1. 金属材料金属材料是工程中最常用的材料之一。
金属材料具有良好的导电、导热性能，较高的强度和硬度以及良好的可塑性和可加工性等特点。
金属材料可分为铁基材料、非铁金属和合金等。
•铁基材料：包括钢、铸铁等，广泛应用于工程结构、机械制造、汽车制造等领域。
•非铁金属：如铝、铜、镁等，常用于电子器件、航空航天等领域。
•合金：由两种或更多种金属元素混合而成，常用于制造具有特定性能要求的零部件。
2. 非金属材料非金属材料广泛应用于建筑、电子、光电等领域，常见的非金属材料包括聚合物、复合材料和陶瓷等。
•聚合物：如塑料、橡胶等，具有良好的绝缘性、耐腐蚀性和可塑性等特点，广泛应用于包装、家电、汽车等领域。
•复合材料：由两种或多种不同材料的组合而成，具有优异的综合性能，如碳纤维复合材料在航空航天领域的应用。
•陶瓷：具有高温稳定性、强度和硬度较高的特点，常用于耐火材料、电子陶瓷等领域。
3. 半导体材料半导体材料具有介于导体与绝缘体之间的电导特性，是电子器件制造中的重要材料。
常见的半导体材料有硅、锗等，广泛应用于集成电路、光电器件等领域。
二、材料力学性能1. 强度和硬度强度是材料抵抗外力作用下变形和破坏的能力，通常用抗拉强度、屈服强度等指标来衡量。
硬度是材料抵抗外部压力而发生塑性变形的难易程度，通常用洛氏硬度、维氏硬度等进行表征。
2. 韧性和脆性韧性是材料抵抗外力作用下断裂的能力，通常用断裂韧性来衡量。
脆性是材料在受到外力作用下迅速发生断裂的性质。
3. 延展性和可塑性延展性是材料在拉伸过程中发生塑性变形的能力，即材料的伸长率。
可塑性是材料经过加工而改变形状的能力，通常用冷、热加工性能来衡量。
工程材料及成形技术基础课程复习
(0）绪论材料的分类及在机械工程技术中的应用、材料科学的发展、本课程的目的、任务和学习方法。
（一）金属材料的力学性能1、了解相关力学性能；２、理解强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度的概念；３、理解σb、σs、σ、HBS（W）、HRC、HRA、HV、δ、δ5、ψ、σ-1等的含义。
（二）金属及合金的晶体结构与结晶1、晶体与非晶体，及其特点；掌握晶格、晶胞、晶格常数、晶面和晶向。
】２、掌握晶体的３种类型：体心、面心、密排六方；及其相关知识，如原子个数、致密度、属于此类型的金属。
３、理解单晶体与多晶体；掌握晶体缺陷的３种类型：点缺陷、线缺陷、面缺陷；并能举例；位错(密度)。
４、金属结晶、过冷(度)现象、晶粒大小、金属结晶过程（形核与长大）、晶粒大小、细化晶粒的方法、铸锭组织（３个晶区）、同素异晶转变。
５、合金、组元、组织、相的基本概念、合金的相结构、固溶体（概念、种类（置换与间隙固溶体、有限与无限固溶体）、固溶强化）、金属化合物（概念、特点）、机械混合物。
6、冷、热变形加工的划分标志；实例。
(三）铁碳合金相图１、纯铁的同素异构转变、二元合金相图基本知识、匀晶相图、共晶相图分析；合金的组成与组织。
２、铁碳合金的基本组织：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体；铁碳合金的基本相：铁素体、奥氏体、渗碳体。
:３、铁碳合金相图（默画）分析：共晶反应、共析反应、相图中点、线的含义，特别是重要的点、线；铁碳合金的分类及室温组织。
４、典型合金结晶过程：共析钢、亚共析钢、过共析钢的结晶过程；共晶白口铁、亚共晶白口铁、过共晶白口铁的结晶过程。
５、铁碳合金成分、组织和性能之间的关系，相图的应用。
（四）钢的热处理１、热处理的概念、目的、种类。
２、钢加热时组织的转变：奥氏体化（以共析钢为例，其4个阶段）、晶粒的长大及控制（快速加热、短时间保温）。
３、钢冷却组织转变：过冷奥氏体的等温转变、C曲线及分析；过冷奥氏体连续冷却转变、马氏体转变。
机械工程材料及成型工艺第二章优秀课件
原子半径：
致密度：0.74
（3）密排六方晶格 hcp C（石墨）、Mg、Zn 等
底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90 晶胞原子数：6
原子半径：a/2
致密度：0. 74
4. 金属晶体中的晶面和晶向
晶面： 通过原子中心的平面
Z
c b
a
X
晶向： 通过原子中心的直线所指的方向
机械工程材料及成型工艺第二 章
一、金属的晶体结构（理想金属的晶体结构）
1. 晶体的概念
晶体 —— 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。
非晶体 —— 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。
晶体 金刚石、NaCl、冰 等。
液体
非晶体 ： 蜂蜡、玻璃 等。
2.金属晶体的特性
（1）有确定的熔点
螺型位错
（3）面缺陷
晶粒（单晶体）
晶界
亚晶界
亚晶界
面缺陷引起晶格畸变， 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。
细晶强化：通过细化晶粒以提高材料强度的方法。
小结
重点
1.晶体结构的基本概念：晶体，晶格，晶胞，三种常见的金 属晶格。单晶体，晶粒，多晶体。
2.固溶体、化合物的晶体结构及性能特点。固溶强化，细晶 强化，形变强化。
晶粒（单晶体）
晶体缺陷类型
（1）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子 （2）线缺陷：位错 （3）面缺陷：晶界与亚晶界
空位
（1）点缺陷
间隙原子
如果间隙原子是其它元素就称为 异类原子 （杂质原子）
（2）线缺陷 —— 刃型位错与螺型位错
刃位错 刃位错
形变强化（加工硬化、冷作硬化）：金属在塑性变形时，随着变形程度的增加， 出现强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象。
工程材料及成形技术基础
工程材料及成形技术基础工程材料是工程技术的基础，它直接关系到产品的性能、质量和使用寿命。
工程材料的选择和应用对产品的设计、制造和使用具有重要的影响。
工程材料及成形技术基础是工程技术人员必须掌握的基础知识之一，本文将对工程材料及成形技术基础进行介绍。
首先，工程材料包括金属材料、非金属材料和复合材料。
金属材料主要包括钢铁、铝、铜、镁等，具有良好的导电性、导热性和机械性能，广泛应用于机械制造、建筑结构等领域。
非金属材料包括塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等，具有较好的耐腐蚀性、绝缘性和轻质化特性，广泛应用于化工、电子、航空航天等领域。
复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成，具有综合性能优良的特点，广泛应用于航空航天、汽车制造等高端领域。
其次，成形技术是指将原材料通过加工、成型、焊接等工艺，制成所需形状和尺寸的工艺技术。
常见的成形技术包括锻造、铸造、焊接、切割、冲压等。
锻造是利用模具将金属材料加热至一定温度后，通过冲击或挤压使其产生塑性变形，获得所需形状和尺寸的工艺技术。
铸造是将熔化的金属倒入模具中，冷却后得到所需形状和尺寸的工艺技术。
焊接是利用熔化的金属或非金属材料填充材料，将两个或两个以上的材料连接在一起的工艺技术。
切割是利用切割设备将原材料切割成所需形状和尺寸的工艺技术。
冲压是利用模具将金属材料冲压成所需形状和尺寸的工艺技术。
最后，工程材料及成形技术基础的学习和掌握对工程技术人员具有重要的意义。
只有深入了解和掌握工程材料的种类、性能、加工工艺等知识，才能更好地进行产品设计、制造和使用。
同时，只有熟练掌握成形技术，才能更好地实现对材料的加工和成型，提高产品的生产效率和质量。
总之，工程材料及成形技术基础是工程技术人员必须掌握的基础知识之一，它直接关系到产品的性能、质量和使用寿命。
通过对工程材料及成形技术基础的学习和掌握，可以更好地进行产品设计、制造和使用，提高产品的竞争力和市场占有率。
希望本文能够对工程技术人员的学习和工作有所帮助。
金属材料成型基础知识
金属材料成型基础知识引言金属材料成型是制造业中的重要工艺之一，广泛应用于金属加工和制造过程中。
金属材料成型是通过施加外力使金属发生塑性变形，改变其形状和尺寸，以达到预期的工件形态和性能要求的过程。
本文将介绍金属材料成型的基础知识，包括其分类、工艺流程、常用设备和工具，以及常见的成型方法。
1. 金属材料成型的分类金属材料成型主要可以分为两大类：热成型和冷成型。
1.1 热成型热成型是在金属材料的加热状态下进行的成型过程。
常见的热成型方法包括锻造、压铸和热轧等。
热成型主要适用于高温下的材料和复杂形状的零件制造。
1.2 冷成型冷成型是在室温或低温下进行的成型过程。
常见的冷成型方法包括冷锻、冷轧和拉伸等。
冷成型主要适用于脆性材料和复杂形状的零件制造。
2. 金属材料成型的工艺流程金属材料成型的工艺流程大致可以分为以下几个步骤：2.1 材料准备在成型之前，需要对金属材料进行相应的预处理。
包括清洁材料表面，去除氧化物和杂质等。
对于热成型过程，需要对金属材料进行适当的预热，使其达到合适的温度范围，以便进行后续的变形。
2.3 成型操作根据工件的形状和尺寸要求，选择合适的成型工艺和设备，施加相应的力或压力对金属材料进行形状变化。
这个步骤通常包括以下几种成型方法： - 锻造：利用冲击力使金属材料在模具中产生塑性变形，形成所需的形状。
- 压铸：将熔融金属注入到闭合的模具中，通过压力使其充填模具并形成所需的形状。
- 拉伸：通过拉伸力使金属材料在拉伸方向上发生塑性变形，达到所需的形状和尺寸。
- 冷轧：利用辊轧机对金属材料进行挤压和拉长，使其尺寸和形状发生变化。
- 冷锻：在室温下施加冲击力对金属材料进行形状变化。
在成型操作完成后，对工件进行后续处理，包括去除残余材料、修整表面、热处理等。
3. 常用设备和工具金属材料成型过程中常用的设备和工具有：3.1 锻造设备锻造设备包括锻造机、模具和锻造配套设备。
锻造机可分为气动锤、液压锤和机械锤等，根据不同的需求选择合适的设备。
工程材料及成型技术基础第2章 金属材料的凝固与固态相变
41
通常有利于柱状晶区发展的因素有： 快的冷却速度、高的浇注温度、 定向的散热等。 而有利于等轴晶区发展的因素有： 慢的冷却速度、低的浇注温度、 均匀散热、变质处理以及一些物 理方法（如机械或电磁的搅拌、 超声波振动等）。
42
第二节、合金的晶体结构
概述 • 纯金属虽然具有良好的导热性导电 性和很好的塑性，但强度低，如纯 铁屈服强度仅有100-170MPa，纯铝 也仅有45-50MPa，远远不能满足大 多数工程需要，必须要通过合金化 （金属中加入别的金属元素或/和非 金属元素）来提高其机械性能.
25
三）细化晶粒的途径
人们通常希望金属材料晶粒细 小均匀，因为晶粒越小，材料的强 度越高，塑性和韧性越好。 晶粒的
大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面 积或平均直径来表示。晶粒的大小取决 于形核率和长大速率的相对大小 ，即 N/G 比值越大，晶粒越细小。可见，凡 是能促进形核、抑制长大的因素，都能 细化晶粒。
47
二元合金相图 合金在成分、温度变化时，其 状态可能发生变化。合金相图就 是用图解的方法表示不同成分、 温度下合金中相的平衡关系。由 于相图是在极其缓慢的冷却条件 下测定的,又称为平衡相图。
48
根据相图可以了解不同成分合金 在温度变化时的相变及组织形成 规律。二元相图都是由一种或几 种基本类型的相图组成的。基本 类型的二元相图有：匀晶、共晶 和包晶相图。
第二章 金属材料的凝固与固态相变
第一节 纯金属的结晶
• • • • 凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律 同素异晶(构)转变 金属的铸锭组织
1
一、 凝固与结晶的概念
1.凝固
物质由液态转变成固态的过程。 2.结晶 晶体物质由液态转变成固态的过程。
机械工程材料及成型基础教学教材
复合材料
玻璃纤维复合材料
由玻璃纤维和有机高分子材料复 合而成，具有质轻、强度高、耐 腐蚀等特点，广泛应用于航空、 航天、汽车等领域。
碳纤维复合材料
由碳纤维和有机高分子材料复合 而成，具有高强度、高刚性、耐 高温等特点，广泛应用于航空、 体育器材等领域。
02 材料成型基础
铸造工艺
01
02
03
04
热处理
通过控制加热、保温和冷却过程， 改变材料的内部组织结构，提高材 料的力学性能。
表面处理
通过物理或化学方法，改变材料表 面的成分和结构，提高材料的耐磨 性、耐腐蚀性和装饰性。
材料成本
原材料价格
不同材料的价格差异很大，选择价格合理的材料 可以降低成本。
加工成本
材料的加工难度和工艺要求不同，加工成本也不 同。在选择材料时，应考虑其加工成本。
未来趋势
高性能材料
01
随着机械工程的发展，对材料性能的要求越来越高，未来将不
断涌现出高性能的新型材料。
智能材料
02
智能材料能够感知外部刺激并作出响应，未来在传感器、执行
器和结构健康监测等领域有广泛应用。
可持续发展的材料
03
随着环保意识的提高，未来将更加注重材料的可持续发展，如
可降解和可回收的材料。
砂型铸造
利用砂型作为模具进行铸造， 适用于各种形状和尺寸的铸件
。
熔模铸造
通过制作熔模，再利用熔模制 作模具进行铸造，适用于精密
铸件。
压力铸造
在高压下将液态金属注入模具 ，适用于生产小型、高精度、
高强度铸件。
离心铸造
利用离心力将液态金属注入旋 转的模具中，适用于生产管状
和套筒类铸件。
机械工程材料与成形工艺基础——金属工艺学绪论
断裂
疲劳断裂 低应力断裂
蠕变断裂 应力腐蚀断裂
零
件
过量弹性变形
失 效 方
过量变形
过量塑性变形
设计不合理
式
磨损
选材不合理 加工工艺不当
表面损伤 腐蚀
安装使用不正确
接触疲劳
绪论
一1 材料概述 二 机械工程材料的定义和分类 三 材料哲学史 四 材料应用 五 材料轶事
选材
选毛坯
预先热处理
机械加工
检验
最终热处理
选材：金属材料种类繁多，性能不一，根据零件的性能要求、
服役条件的不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。
课程介绍
有液态成形毛坯
毛坯选择
塑性成形毛坯 连接成形毛坯
粉末冶金成形
轴
型材等毛坯
传统的有 车削、刨 削、铣削
拉削、镗削、磨削等
机械加工方法
车削
现代的有
另一方面，随着社会的发展，科学技术的进
步以及自然资源和能源的逐渐减少，人们所关注
的、所使用的材料种类也在发生着变化……
一1 材料概述
什么是材料？
因此材料的定义可以发展为：
人类社会所能够接受的经 济地制造有用器件的物质
一1 材料概述
一个例子
比强：比强度，也就是材料 的强度与密度之比。具有高 强度、低密度的材料无疑具
一1 材料概述
什么是材料？
一1 材料概述
什么是材料？
钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会 开始从农业和手工业社会进入了工业社会。
本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用， 则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。
一1 材料概述
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二 第二节 钢铁材料生产过程概述
钢铁材料生产过程
钢铁冶炼技术发展简史
远古至13世纪末：半熔融状态的铁块—海绵 铁(sponge iron)；
13世纪末至19世纪中叶：熔融状态的生铁→ 粗钢，形成两步法炼钢；
19世纪中期至今 ： ➢ 1856年英国人发明了空气底吹酸性转炉炼钢
同比增长
63.66 49.89 27.6
54.32 46.65 16.4
33.70 32.90 12.4
32.02 29.57 8.3
31.20 31.42 -0.7
22.53 22.73 -0.9
19.06 16.08 18.5
15.00 11.90 26.1
14.63 12.02 21.7
13.76 13.05 5.5
11.24 10.43 7.8
10.91 9.65 13.1
10.79 10.34 4.4
10.55 10.44 1.0
9.91 8.45 17.2 Nhomakorabea中国年粗钢产量增长情况
粗钢产量/Mt .a-1
500
36.4
36
450
中国粗钢占全球粗钢产量的比例
489.00 33.79
中国粗钢产量
400
30.9
32 418.78
钢与生铁的区别
▪ 含碳量＞2.11% 为铸铁（生铁、白口铸铁）；
▪ 含碳量＞ 4.3% 无实用价值。
钢与生铁的区别
一1 第一节 金属材料的分类
钢的分类
1.钢的分类
①按化学成分分
低碳钢 0.25%C 碳素钢 中碳钢 0.25~0.6%C
高碳钢 0.6%C
低合金钢 合金元素总量 5% 合金钢 中合金钢 合金元素总量 5~10%
最小:锂（Li）0.53 g/cm3 (3)硬度最大：铬（Cr） (4)延展性最好:金（Au），可制成万分之一毫米的金箔 (5)导电导热性最好:Ag，Cu次之，Au第三。 (6)人体内最多的金属：钙 (7)地壳中含量最多的金属：铝 (8)人类冶炼最多的金属：铁
第一章 金属材料基础知识
一1 第一节 金属材料的分类 二 第二节 钢铁材料生产过程概述 三 第三节 机械制造过程概述 四 第四节 金属材料的性能
28
350
25.8
349.36
22.9
24
300
20.1
250
17.85
272.80
20
14.7715.66
16
200
12.2512.72 13.41
15.40
202.31
11.2
12.61 13.63
181.55
12
150 8.48 9.63
123.35 108.91
151.63
100
71.00
89.54 95.36 92.61 101.24
十二边
学习目标与学习方法
雪花是如何形成的？
三角形晶体
霜晶体
学习目标与学习方法
3、为什么雪花融化后会形成粉末沉淀现象？
❖高空、低温水汽结晶，形成降雪的必要 条件：
❖一是水汽饱和 ❖二是凝结核
固体微粒
❖三是必要的环境温度
学习目标与学习方法
金属之最
(1)熔点最高：钨（W）3410℃； 最低：汞（Hg）-39℃ (2)密度最大:锇（Os）22.45g/cm3；
优 质 钢 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.035
高级优质钢 ≤0.030 ≤0.030 ≤0.025 ≤0.025
特级优质钢 ≤0.025 ≤0.020 ≤0.025 ≤0.015
一1 第一节 金属材料的分类
钢的分类
③按用途分
结构钢
工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆 渗 碳 钢调 质 钢弹 簧
高合金钢 合金元素总量 10%
一1 第一节 金属材料的分类
钢的分类
②按质量分
钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 有害物质
分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。
根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：
钢类
碳素钢
P
S
合金钢
P
S
普通质量钢 ≤0.045 ≤0.045 ≤0.045 ≤0.045
6
9
26
16
18
17
22
18
16
24
24
25
27
26
25
27
23
28
31
公司
米塔尔 安赛乐 新日铁
JFE 浦项 宝钢 唐钢 鞍钢 沙钢 武钢 济钢 马钢 莱钢 首钢 华菱
国家
荷兰 卢森堡 日本 日本 韩国 中国 中国 中国
中国 中国 中国 中国 中国 中国 中国
2006年 (百万吨)
2005年 (百万吨)
127.64 114.56
8 4
50 65.35 80.93
1、冰冻三尺非一日之寒
冰的结构 六面体晶格结构
学习目标与学习方法
2、雪花是如何形成的？
六角棱柱体 简单六角棱柱体
星形盘状雪花
学习目标与学习方法
雪花形状
扇形分区盘 状雪花
星形树枝有 分枝和侧枝
蕨类星形树枝
学习目标与学习方法
雪花是如何形成的？
空柱体
针状
学习目标与学习方法
雪花是如何形成的？
戴帽柱状体
法； ➢ 1864年法国人发明了平炉炼钢法(OH)； ➢ 1874年发明了空气底吹碱性转炉炼钢法； ➢ 20世纪初发明了电弧炉炼钢(EAF)； ➢ 20世纪中叶氧气顶吹转炉（LD法）。
二 第二节 钢铁材料生产过程概述
钢铁材料生产过程
全球部分钢厂产量排名
排名
2006 2005
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
一1 第一节 金属材料的分类
分类（按化学成分分）
金属材料
工程材料
陶瓷材料 高分子材料
复合材料
一1 第一节 金属材料的分类
概念
❖ 金属
❖ 纯金属
❖ 合金
❖ 合金钢
❖ 钢铁的组成=95%以上铁+（0.05～4%）碳+1%杂
❖ 铁碳合金(按钢铁材料的含碳量的质量分数w(C))
▪ ▪
含碳量＜0.0218% 为工业纯铁； 含碳量0.0218~2.11% 为钢；
学习目标与学习方法
本章主要内容
❖相关概念、金属材料性能 ❖金属材料成形加工的基本过程 ❖微观结构和微观组织特征、及其对宏观
性能的影响 ❖日常生活现象
学习目标与学习方法
1、冰冻三尺非一日之寒
学习目标与学习方法
1、冰冻三尺非一日之寒
水分子结构
学习目标与学习方法
1、冰冻三尺非一日之寒
水分子结构
学习目标与学习方法
机器用钢 钢滚动轴承 钢耐 磨 钢
刃具钢
工 具 钢 模具钢
量具钢
特殊性能钢
不锈钢 耐热钢
第一章 金属材料基础知识
一1 第一节 金属材料的分类 二 第二节 钢铁材料生产过程概述 三 第三节 机械制造过程概述 四 第四节 金属材料的性能
二 第二节 钢铁材料生产过程概述
钢铁材料
❖ 钢铁是使用最多的金属材料 原因：储量大；冶炼加工容易；综合性能好